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分析鈷酸鋰電池的優勢與缺點

鉅大LARGE  |  點擊量:3867次  |  2018年12月13日  

歷史的車輪繼續轉動。

鈷酸鋰電池雖然有著諸多優勢,但隨著大規模的應用,其缺點也開始暴露出來:首先就是成本高,因為鈷畢竟是一種價格昂貴的小金屬;其次是抗過充和循環性能差;最后就是廢棄污染嚴重。

所以在發明了鈷酸鋰之后,為了找到一種比鈷便宜的替代金屬,同時尋找一個更利于鋰離子高效運動的結構。古迪納夫和他的學生邁克·薩克雷(MikeThackeray)緊接著又開始了對一種比鈷酸鋰更好的正極材料的尋找。

鈷酸鋰正極材料中的原子是凸一層層堆疊起來的片層架構,充放電過程中鋰離子只是在這些片層之間來回脫嵌。古迪納夫想到了尖晶石(又一個正確的方向),他認為尖晶石結構的原子排列的方式允許鋰離子可以在三維空間中進行擴散,也就是尖晶石允許鋰離子通過多個通道中往返,從而大幅度提高鋰電池的充放電倍率。

1982年,薩克雷發明了一種開創性的錳基尖晶石,即之后被日系車企大批量應用到電動汽車之上的錳酸鋰電池。此后,薩克雷跳到美國的阿貢國家實驗室(ArgonneNationalLaboratory,ANL)任職,專注于鋰電池的研發。而ANL在此后的專利大戰中,還有更重要的戲份。

1986年,在從牛津大學回到美國,擔任德克薩斯大學奧斯汀分校的科克雷爾工程學院機械工程和電氣工程系的教授之后,古迪納夫開始了下一個探索之旅,同時也將深陷有史以來最大的專利大戰之中。

1993年,當古迪納夫和他的團隊正在專心致志地徜徉在材料化學的奇幻海洋中時,他的實驗室來了一位叫岡田重人的訪問學者(沒錯,日本人),岡田在此之前是日本國內的電話巨頭日本電報電話公共公司(NTT)的移動通信工程總監。

古迪納夫沒有多想,就讓岡田留了下來,因為這本來就是學術界很正常的交流活動,更何況NTT還給實驗室提供了一批實驗經費。

 鈷酸鋰電池

但是很快,古迪納夫就會認識到天下沒有白來的午餐,七十多歲的古迪納夫非常痛苦的認識到,雖已過古稀之年,但自己仍舊是tooyoung,toosimple。

古迪納夫和他的團隊繼續尋找這可以代替鈷酸鋰的更優秀的正極材料物質,他們開始系統地調換周期表里的各種金屬元素,最終將名單縮小到最后的一個目標——鐵和磷的組合。

最終,鐵和磷沒有形成古迪納夫想要的尖晶石構型,但是卻無心插柳地組成了另外一種晶體結構——橄欖石。即鈷酸鋰、錳酸鋰之后,鋰離子電池的第三種正極材料就此誕生:磷酸鐵鋰。

是的你沒看錯,這三種最重要的鋰離子電池正極,全部誕生自古迪納夫的實驗室,而這里也成了世界鋰電池的搖籃。

這次,古迪納夫就算是再遲鈍,也很快認識到了這項發明的重要性,他認為這個研究成果絕對會震驚世界。但萬萬沒想到的是,在古迪納夫帶領團隊在研發的第一線奮戰的時候,他們的研究成果被源源不斷地通過岡田傳回了日本。

岡田的雇主NTT公司,在當年(1995年)11月就悄無聲息地申請了專利,也許是做賊心虛以及不想在美國引起麻煩,NTT申請的只是日本的專利。

但這依然讓古迪納夫感受到震驚和憤怒,直到第二年聽到消息之后他才反應過來,所謂的訪問學者原來就是日本公司派來竊取研究情報的間諜。

磷酸鐵鋰電池具備的成本低、充放電效能高、使用壽命長、熱穩定性高等優勢,使這種正極材料擁有著巨大的市場潛力。

1996年,德州大學代表古迪納夫的實驗室向美國申請了專利,并在1997年10月被批準,這項編號為WO1997040541的專利是磷酸鐵鋰電池的第一個基礎專利。

很快,另一位世界級的鋰電科學家米歇爾·阿爾芒(MichelArmand)也加入了近來,這位法國人被公認為世界鋰電池產業的奠基人之一。這位大佬在1980年提出“搖椅式電池”概念(鋰離子電池的基本運行理念),索尼正是基于這個概念,于1990年成功完成了世界第一歌鋰離子電池的商業化。

阿爾芒提出了用1%的碳對磷酸鐵鋰進行包覆,從而有效解決了磷酸鐵鋰材料導電性能差,不適宜大電流重放電的問題。經過包碳之后,磷酸鐵鋰電池可以在80℃和1C倍率的條件下,達到160mAh/g的容量,并且具有較好的導電性能。

解決了這個問題之后,阿爾芒和古迪納夫共同申請了磷酸鐵鋰包碳技術的專利,這就是第二個磷酸鐵鋰的基礎專利,這項專利讓磷酸鐵鋰電池從實驗室走向市場變成了可能。

這兩項專利,是磷酸鐵鋰技術路線無論如何都無法繞行的兩大核心技術專利。

這期間,阿爾芒正好在加拿大蒙特利爾大學擔任化學系的教授,所以就在當地創建了由加拿大國家公共事業魁北克水力公司(Hydro-Quebec,H-Q)投資的的PhostechLithium公司。

由此,H-Q和Phostech成為獲得這兩項磷酸鐵鋰的基礎專利獨家授權的單位。

但是,由于太多說不清道不明的原因,古迪納夫老爺子的核心技術早已通過各種各樣的渠道,散布到全世界各地去了。

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